关键词： 物联网  

ISBN: (纸本)9787569332056

摘要： 本书选取物联网数据传输领域中具有代表性的研究内容为切入点, 以无线传感器节点, 无线网状节点、反向散射节点等为研究对象, 围绕物联网数据传输的数据收集、下行数据反馈、数据多跳传输、多通道传递和数据处理展开研究, 介绍了相关的技术实现、技术运用和综合实施。

关键词： 激光雷达   光学相控阵   相位控制   光束扫描   绝热硅片   薄膜型铌酸锂   磷化铟   低功耗  

摘要： 光学相控阵(Optical phased array,OPA)可以实现全固态的光束扫描,可以被广泛应用于激光雷达、空间光通讯等众多领域中。光学相控阵式的激光雷达相较于传统的机械旋转式激光雷达,具有体积小、功耗低和响应速度快等优点。本论文主要研究了波导型光学相控阵芯片,尤其是大光束扫描范围、低功耗的波导型光学相控阵芯片。主要工作如下:(1)提出并实现了一种非等间距光栅阵列设计的基于绝缘体上硅片(Silicon on Insulator,SOI)的二维扫描光学相控阵芯片。该光学相控阵芯片利用硅的热光效应实现相控阵的横向一维光束扫描,利用二阶光栅的衍射角随入射光波长变化实现了纵向一维光束扫描。结合横向和纵向的一维光束扫描,光学相控阵芯片可以实现二维光束扫描。为了提高发射光栅的向上发射效率,对SOI片的埋氧层氧化硅厚度进行了优化;为了提高相控阵的光束扫描范围和降低光束发散角,采用非等间距光栅阵列设计,并使用优化算法对光栅间距进行了优化。开发了光学相控阵芯片的工艺制作流程,并制备了相控阵芯片;搭建了相控阵的表征控制系统并提出了一种相控阵远场表征控制算法,使用该系统表征控制了光学相控阵芯片,实现了一维横向的光束扫描。该光学相控阵芯片的最大横向光束扫描角度为18°。结合波长控制下的一维纵向光束扫描,相控阵芯片可以实现最大18°×14°的二维光束扫描,且在20°×40°的远场角度范围内的侧瓣抑制比不低于10 d B。光束主瓣在两个方向上的发散角分别为0.56°和0.63°。(2)为了实现低功耗的光束扫描,首次提出并实验制备了一种基于非等间距光栅阵列设计的低静态功耗的薄膜型铌酸锂二维光学相控阵芯片。该相控阵芯片可以利用铌酸锂的电光效应实现移相,由于电光移相器工作时几乎没有电流通过,因此可以在很低的功耗下实现移相。对铌酸锂中的直流漂移效应进行了分析,优化了表征控制算法并完成了相控阵芯片的表征控制。该相控阵是首个被报道的基于薄膜型铌酸锂的二维光学相控阵。(3)为了避免直流漂移现象,提出了一种低功耗的基于磷化铟(Indium Phosphate,In P)反偏p-i-n结构的大扫描范围的光学相控阵芯片。相控阵芯片中的移相器基于pi-n结构,工作在反偏电压下,其功耗非常小。为了实现更大的光束扫描角度,优化设计了非等间距波导阵列,在更大的远场角度范围内优化了发射单元的间距。同时,将之前的表征控制算法和爬山算法相结合,解决了基于粒子群的表征控制算法收敛困难的问题。测试表明,该光学相控阵芯片实现了最大35°的光束扫描,且在-20°～20°的远场范围内始终能保持大于8.2 d B的侧瓣抑制比,光束发散角为0.46°,在不同的光束偏转角度下的相控阵功耗均小于7.5 m W。得益于非等间距的设计,该相控阵所实现的光束扫描角度是所有已被报道的In P基相控阵中最大的。

关键词： SARADC   冗余技术   自校准技术   带隙基准电路  

摘要： 随着半导体技术的高速发展，信号处理系统变得越来越复杂。这些系统使用各种各样的连续时间信号，包括语音、声纳、医学成像、雷达、消费电子设备和卫星等。在这些系统中模数转化器(AnalogtoDigitalConverter,ADC)作为其中关键模块被广泛研究。而在各种ADC中，由于逐次逼近型数模转换器(SuccessiveApproximationRegisterADC,SARADC)具有中高等精度和中等速度，且其结构较为简单、功耗低等优点，被广泛的运用于各个领域。　　本论文基于hhgrace55nmCMOS工艺设计了一款18位、1MS/s的SARADC。其在5V的电源电压，1MS/s采样率下，ADC的有效位数为16.91位，信噪失真比为98.613dB,无杂散动态范围为107.342dB;在静态参数方面，微分非线性DNL=-0.65/+0.58LSB,积分非线性INL=-0.72/+0.67LSB,总功耗为6.89mW。本论文针对低功耗高精度主要做出了以下改进包括:　　(1)自校准技术和冗余技术的使用，由于传统的SARADC中电容存在失配现象，且其采用二进制算法，这会导致ADC精度大大下降，为了提高提精度和容错力，本设计采用了自校准技术和冗余技术。　　(2)采用了一种新型分段补偿带隙基准电路，大大降低了带隙基准的温漂,为SARADC各模块提供了高精度的基准。

关键词： 负电容晶体管   二维材料   亚阈值摆幅   超低功耗   回滞  

摘要： 随着硅基晶体管尺寸的不断缩小，芯片上晶体管器件的集成度越来越高，这推动了集成电路产业的蓬勃发展。但是，由于受玻尔兹曼限制(Boltzmanntyranny),场效应晶体管器件的亚阈值摆幅在室温条件下无法突破60mV/dec的物理极限，使得器件的工作电压(VDD)不能与尺寸等比例缩小。因此，伴随着单个芯片上器件集成度的提高，功耗已经成为限制集成电路发展的关键问题。为了缓解这一困境，硅基晶体管在器件架构层面进行了优化，先后提出了垂直结构的FinFET以及纳米片结构的GAAFET,并大大改善了器件的性能。但是，晶体管工作电压无法继续降低，器件的功耗问题仍然是困扰集成电路发展的一大难题。　　本课题研究立足于硅基晶体管所面临的发展困境，从新材料以及新兴原理器件方面着手，进行了二维材料超低功耗负电容晶体管的相关研究。在本研究中,采用范德华铁电材料CIPS作为负电容层、h-BN作为栅极绝缘层、MoS2作为沟道层，搭建了基于这些二维材料的异质结构，并制备了负电容晶体管。二维材料的使用使得各层与层之间能够通过范德华接触的方式贴合在一起，材料表面光滑无悬挂件保证了界面的干净整洁，最大程度的避免了杂质与缺陷所带来的危害,使得我们能够对负电容晶体管进行物理层面的探索。此外器件采用了金属底电极的结构进行制备，这种结构具有器件制备简单的特点，还允许我们能够在沟道长度上进行一定的微缩。基于以上的器件结构和良好的界面稳定性，实现了基于二维材料的超低功耗的负电容晶体管器件，且满足无回滞、陡峭亚阈值摆幅的优秀特性，表明了在未来超低功耗电子器件应用领域的可行性。　　在本文中，首先是对实验所用仪器以及器件的制备流程进行了介绍。然后对器件的性能进行了优化，主要包括:不同接触金属的对比与选择;不同栅介质对器件性能影响的对比，对比发现在栅极中堆叠铁电材料(CIPS)可以将SS降低到60mV/dec以下;以及底电极的优化，在这里采用石墨烯来代替金属底电极以获得干净整洁的界面并实现无回滞的器件。然后对电容匹配理论进行了分析，并制备器件对负电容晶体管的回滞变化规律进行了探索，通过控制器件的铁电层(CIPS)和沟道层(MoS2)厚度不变，调整栅介质层(h-BN)厚度变化，成功观察到器件的回滞变化规律，且与负电容匹配理论预测一致。最后将狄拉克源晶体管与负电容晶体管结合到一起，首次在实验室中制备了相关器件。

关键词： DC-DC转换器   脉冲频率调制   宽范围高效率   低静态功耗   快速动态响应  

摘要： 随着物联网技术的发展,智能家居、可穿戴设备、车联网等各类智能电子设备的需求日益增长,对智能设备的电源管理也提出了更高的要求。为延长物联网设备电池的使用时间,在宽负载范围内实现高效电压转换,以及在轻载下降低静态功耗是目前电源管理芯片的发展趋势之一。另一方面,物联网复杂多变的应用环境要求电源管理芯片具备快速的动态响应能力以减小负载变化对电源造成的影响。本文提出了一种宽范围高效率的低功耗同步降压转换器,通过PWM/PFM无缝模式切换技术,在轻载下采用PFM模式提升转换效率,并实现两种模式的平滑过渡,减小模式切换时的输出电压纹波;为降低内部控制器的静态功耗,提出模块动态启闭策略,进一步优化超轻载下的转换效率;另一方面,提出T/T动态增强快速响应技术,在负载切换时增大导通时间或关断时间提升电感电流变化速度,实现快速动态响应。本文首先介绍了降压转换器的工作机制并进行损耗分析,然后提出了宽范围高效率的低功耗降压转换器设计方案,接着对PWM/PFM无缝模式切换、T/T动态增强电路等重点模块的子电路进行设计和仿真,最后对所设计的芯片进行系统整体仿真验证以及分析。芯片采用0.18μm BCD工艺,面积2330×1630μm,最大输出电流3A,在输入电压12V输出电压5V时的峰值效率仿真达到96%,5m A-3A的宽负载范围内电压转换效率均大于90%,输出调整率误差低于0.43%,空载下的静态功耗低至14.2μA。负载切换时的瞬态电压过冲和下冲分别为90m V和80m V,恢复时间小于90μs,有效提升Buck的瞬态响应速度。仿真结果显示所设计的降压转换器能够在宽负载范围内实现高转换效率,以及无负载状态下实现超低静态功耗,适用于物联网设备的降压转换器应用。

关键词： 反激   低功耗   较小尺寸   低成本  

摘要： 集成电路的迅速发展使得电子产品越来越智能化和便携化,作为电子设备的核心,电源的设计需要保证产品体积小巧的同时,还需要提升稳定性、效率等指标。为了达到开关电源系统高效率、高稳定性的行业要求,保证合理尺寸,本文从低功耗和低成本的角度出发,设计了一款基于脉冲宽度调制控制的低功耗反激式ACDC单路输入双路输出开关电源。该反激电源模块有一路输入和两路输出,两路输出的功率分别为60 W和240W。60 W电源模块为常规反激式开关电源,这路输出可以满足小功率电子产品的需求。由于正激式的效率一般高于反激式,百瓦级的开关电源通常为正激式,但其成本较高,且电路复杂程度大于反激。60 W电源模块的设计保留了常规反激式电源的特性,在60 W模块的基础上进一步优化,保证了带载时保持较高的效率,电路设计复杂程度小于同类型正激式,将成本也控制在较低范围,设计出了240 W反激式开关电源模块,这路输出可以满足较大功率的电子设备。本设计借助Altium Designer电路设计软件完成整体电路的设计以及PCB绘制,使用Simplis开关电源仿真软件完成电路功能的仿真验证。电路设计的着重点是在240 W模块,为了保证两路输出正常工作,主要以提升240 W模块的效率为主,60 W模块保证其效率在80%以上即可。电路前级加上功率因素校正电路降低无功功率损耗,对高频变压器等磁性器件设计降低磁性损耗,输出部分为同步整流电路。整体电路的输入电压范围为176 V-264 V,工作频率为65 KHz。电路的设计指标为:60 W部分输出电压为5 V,输出值电流为12 A,效率达到80%以上,输出电压纹波率在1%以下,输出电压欠冲为1%,动态负载下输出电压恢复时间在3.2 ms,增益裕量为15.6 d B,相位裕量为52.7 deg满足行业要求;240 W部分输出电压为20 V,输出值电流为12 A,效率达到90%以上,输出电压纹波率在1%以下,动态负载下输出电压欠冲为0.98%,输出电压恢复时间在3.1 ms。增益裕量为11 d B,相位裕量为67 deg满足行业要求。经过仿真验证电路设计达到预期指标后,制作样板电路进行实物调试,进一步验证和完善电路的功能,争取使系统达到六级能效标准。

关键词： RS编码   ASIC设计   低功耗设计  

摘要： 里得所罗门码(Reed-Solomon,RS)是应用非常广泛的一种线性分组码,它的纠错性能优异,随机错误和突发错误均可以进行纠正,RS码在中短码长领域纠错性能甚至可以接近理论值。虽然存在很多其他成熟的纠错码,但在卫星通信领域RS码仍然凭借出色的纠错性能脱颖而出。在集成电路工艺节点的不断进步下,功耗问题日益突出,高功耗带来的高热量等问题会直接影响芯片工作,导致性能下降等问题。因此如何实现设计低复杂度、低功耗的RS编码ASIC芯片具有很好的研究意义,为芯片化进程提供新的方向。本文主要是对一款基于TSMC28nm的RS编码ASIC芯片进行低功耗设计。首先介绍了RS编码原理和集成电路的功耗组成,对常用的低功耗方法进行分析,得到适用于RS编码芯片的低功耗方法。并且从设计层级入手,分别从系统架构、RTL级、门级三个方面对RS编码芯片进行低功耗设计,并在ASIC设计中加以实践,将前端RTL级设计与后端物理设计结合起来,研究能实现RS编码功能的低功耗芯片。在系统架构层面针对RS编码电路中乘法器在硬件实现时,由于元素处于伽罗华域运算存在数据运算量大和消耗功耗大等问题,因此本文提出基于乘法器因子矩阵的方法对RS编码算法进行了优化,并将优化后的算法在FPGA上进行功能验证;在RTL级层面采用Design Compiler工具对编写的RTL代码进行逻辑综合,并加入门控时钟等低功耗方法;在门级电路层面采用Innovus工具,引入多阈值电压和低功耗时钟树综合技术等多种低功耗方法进行后端物理设计。本设计的RS编码低功耗芯片在经过静态时序分析、形式验证和物理验证后,采用Voltus对设计进行功耗分析,不存在电压降和电迁移等违例问题,芯片总体功耗较之前降低了约45%,由此可以得到该低功耗设计可以成功实现,满足芯片预期功耗要求,确定能够达到签核标准。

关键词： 低功耗   目标识别   卷积脉冲神经网络   最大池化  

摘要： 近年来,图像识别技术被越来越多地应用到无人机上,但是传统的图像识别系统存在体积大、功耗高的问题,一定程度上影响了无人机的续航能力。因此,亟需研究一种新型的低功耗目标识别系统。本文以此为研究背景,设计了一种基于卷积脉冲神经网络的低功耗目标识别系统,具体内容如下: 在对机载低功耗目标识别系统功能需求进行深入分析的基础上,提出了一种基于卷积脉冲神经网络的低功耗目标识别系统总体设计方案,并完成了核心处理器和图像传感器的选型。 针对传统卷积脉冲神经网络组成结构中平均池化硬件资源消耗大的问题,提出了一种基于脉冲最大发放频率的池化方法,从而减少了硬件资源消耗。针对通过直接训练方式生成的卷积脉冲神经网络识别精度低的问题,采用间接训练的方式,即先对人工神经网络进行训练,再将其转换为卷积脉冲神经网络。针对网络转换误差较大的问题,在人工神经网络的训练环节引入阈值可训练的量化激活函数,并采用直通估计器对量化函数求导,以得到可降低网络转换误差的激活函数量化系数和阈值。在此基础上,将激活函数阈值作为卷积脉冲神经网络的神经元膜电势阈值,并对神经元膜电势进行非零初始化,提升神经元脉冲发放率,进一步减小低延时区间的网络转换误差。实验结果表明,本文所设计的卷积脉冲神经网络转换方法与现有方法相比具有低延时、高精度的优势。 针对基于CPU和GPU实现卷积脉冲神经网络功耗高的问题,给出了一种基于ARM和FPGA的低功耗卷积脉冲神经网络实现方法。完成了FPGA各功能模块的设计,包括图像预处理模块、数据读取与存储模块、卷积模块、最大池化模块、神经元运算模块与分类筛选模块,并完成了层间合并与流水线设计。针对卷积模块输入缓冲区数据冗余导致FPGA内存资源浪费的问题,设计了宽度自适应的行缓存控制模块,减少了内存资源的使用。针对卷积模块运算效率低的问题,通过分析网络结构特征,采用多通道并行的方式对其加速,提高了FPGA端的运算效率。设计了ARM端的控制指令与控制流程,实现了对FPGA端各功能模块的调度。 搭建了卷积脉冲神经网络目标识别系统实验平台,在完成了网络转换实验、ARM与FPGA的数据传输实验基础上,完成了基于卷积脉冲神经网络的目标识别实验,并与基于CPU和GPU的传统目标识别方法进行了性能对比,结果表明本文所提方法在不影响识别准确率的前提下功耗比传统的方式要小。

关键词： 潜标   低功耗   扩频通信   应答器  

摘要： 潜标是一种水声领域常见的设备,在水声通信、定位与导航、海洋环境监测等场景下都有着广泛的应用。本文所设计的潜标是一款多功能低功耗潜标,主要功能为中继水声扩频信号,应用于水声通信场景,延长扩频水声信号的传播距离,从而扩大整个通信网络的范围。此外,本潜标也可作为应答器使用,用于水声定位与导航场景。首先,针对潜标的实际工作场景,设计了潜标使用的扩频信号形式并对硬件总体方案进行了设计。通过仿真,对比分析了使用BPSK调制的直接序列扩频信号在水声信道影响下不同参数的检测性能。根据仿真结果确定了潜标使用的信号参数,并设计了一套潜标在扩频中继模式下的通信协议。之后,对潜标的信号处理方法进行了设计。潜标需要处理的信号形式包括LFM、扩频信号以及CW信号。处理LFM信号使用拷贝相关法;处理扩频信号使用RAKE接收机来抑制多途的影响;处理CW信号使用自适应Notch滤波器与瞬时频率方差检测器联合判决的方法。介绍了这三者的原理并进行了仿真分析,着重对比分析了不同结构与参数对RAKE接收机的性能影响。然后,根据潜标的总体方案设计与使用的信号处理方法,对潜标的硬件电路与软件程序进行设计。在硬件芯片选型与电路设计上,秉持低功耗的设计原则,再通过电路模块化设计、电源动态管理、值班待机等方式来降低整体系统的功耗。在软件程序设计上,重点对各种信号处理与检测算法在DSP芯片上的实现,以及各种工作模式下的工作流程进行了讨论。最后,在实验室与水池对潜标的各项功能进行逐一验证,实验证明潜标各硬件电路功能正常,软件程序稳定可靠。潜标能够完成预期的各种工作模式下的任务,并且满足了所提出的各项技术指标。

关键词： USB4.0协议   USB3隧道协议   带宽管理   低功耗  

摘要： 随着数字信息化技术的快速发展,硬件设各对高速总线接口的带宽要求越来越高。USB-IF组织不断更新其接口协议标准,USB规范协议己发展至USB4.0,其数据传输速度已提升至们Gbps。USB4.0协议支持DP、PCIe、USB多协议数据同时传输且各个子系统具有独立的带宽管理机制。对于USB3隧道协议传输而言,目前缺乏高效的软硬件协调机制用于管理USB4带宽和USB3隧道协议带宽。本文基于上述问题,对USB3隧道协议带宽管理机制进行了深入的研究。本文根据USB4连接管理器规范、USB4.0协议和USB3。2协议的要求,结合USB3隧道协议的带宽管理机制,完成了USB3隧道协议的带宽管理电路的设计,并对其进行功耗仿真;基于功耗分析结果提出低功耗带宽管理机制,并完成优化设计;最终对设计进行系统功能验证和功耗仿真。具体工作如下:首先,本文分析USB3隧道协议下的带宽协商机制,基于USB4连接管理器、USB4主机和USB3主机的工作机制,构建出USB3隧道协议带宽信息的通信模型,并提出USB3隧道协议的带宽管理电路设计方案,实现了USB4与USB3系统之间带宽信息的交换;随后对设计进行功耗仿真并分析结果,为后续功耗优化提供设计思路。其次,本文深入分析上述电路功耗来源且结合So C的功耗需求和特性,基于多层次电源管理系统,提出一种非主动唤醒的带宽管理电路功耗优化策略,并完成USB3隧道协议的低功耗带宽管理电路设计;设计采用电源门控技术,当USB3主机控制器处于休眠模式时,支持带宽管理电路处理带宽管理事件,以减少处理带宽管理事件的功耗开销不口延日寸。最后,本文通过构建仿真验证平台,完成系统功能验证,并对优化后的设计进行功耗仿真。本文优化后的设计在睡眠模式相比优化前的空闲模式总功耗降低60.1%,USB4连接管理器处理带宽管理事件时,无需等待USB3主机控制器唤醒,可实时通信。